Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основы методики исследования 33
1.1. Показатели и методики расчета тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ в системах теплоснабжения 33
1.2. Методические положения учета климатических факторов и режимов работы теплофикационных ГТУ. 48
1.3. Основные положения определения экономической эффективности малых ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения 57
1.4. Учет надежности теплоэнергоснабжения при определении системной эффективности малых ТЭЦ на базе ГТУ. 72
1.5. Информационное обеспечение расчетно-оптимизационных исследований теплофикационных ГТУ. 79
Глава 2. Оптимизация параметров и характеристик теплофикационных ГТУ 87
2.1. Выбор расчетных схем теплофикационных ГТУ малой и средней мощности 87
2.2. Разработка математической модели теплофикационных ГТУв системах теплоэнергоснабжения 92
2.3. Влияние режимных и климатических факторов на показатели экономичности малых ТЭЦ 113
2.4. Выбор экономически наивыгоднейшего типа поверхности теплообмена котла-утилизатора 122
2.5. Определение оптимальной температуры наружного воздуха для проектирования котла-утилизатора 133
Глава 3. Обеспечение надежности систем теплоэнергоснабжения на базе малых ТЭЦ 141
3.1. Выбор и обоснование показателей надежности систем теплоэнергоснабжения 141
3.2. Методика расчета показателей надежности элементов малых ТЭЦ с учетом условий эксплуатации 146
3.2.1. Вероятностная модель расчета показателей надежности газотурбинной установки 146
3.2.2. Вероятностная модель расчета надежности котла -утилизатора 156
3.2.3. Адаптация расчетных значений показателей надежности элементов ГТУ к условиям эксплуатации... 162
3.3. Обеспечение надежности теплоснабжения от теплофикационных ГТУ путем применения аккумулирования теплоты 165
Глава 4. Экономическая эффективность малых ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения 172
4.1. Экономическая эффективность малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в системах теплоснабжения 172
4.2. Анализ устойчивости решений и областей эффективного использования малых ТЭЦ .
4.3. Экономическая оценка рисков при создании малых ТЭЦ
Заключение
Список использованных источников 1
- Методические положения учета климатических факторов и режимов работы теплофикационных ГТУ.
- Разработка математической модели теплофикационных ГТУв системах теплоэнергоснабжения
- Методика расчета показателей надежности элементов малых ТЭЦ с учетом условий эксплуатации
- Анализ устойчивости решений и областей эффективного использования малых ТЭЦ
Введение к работе
В настоящий период времени топливно-энергетический комплекс страны переживает кризисное состояние. Это связано с общим кризисом, охватившим все сферы экономики страны. Основное проявление кризиса в энергетике заключается в нарушении снабжения отдельных регионов и потребителей топливом, электрической и тепловой энергией. Односторонняя ориентация топливно-энергетического баланса страны на использование природного газа является если и неошибочной в настоящее время, то в ближайшей перспективе это явно ошибочное направление. Главной причиной напряженности ТЭБ страны является устойчивая, начиная с 1990 года, тенденция снижения объемов добычи нефти и угля, а также наметившаяся тенденция снижения объемов добычи природного газа. По сравнению с 1991 годом к настоящему времени добыча нефти упала с 511,71 млн. т. до 303 млн. т. в 1998 году и к 2010 году, вероятно снизится до 260 млн. т. Добыча угля в России снизилась с 390 млн. т. в 1990 году до 250 млн. т. в 1998 году. В перспективе в лучшем случае добыча сохранится на том же уровне. В то же время, добыча природного газа поддерживается на относительно неизменном уровне: 1990 год - 641 млрд. м3 ; 1998 год -589,7 млрд. м3. Во всех сценариях развития экономики и топливно-энергетического баланса России предусматривается покрытие дефицита потребности в энергоресурсах исключительно за счет природного газа (на 2005 год в размере 750 млрд. м3). Потребление газа в стране за 1995 - 1998 годы снизилось с 339,5 до 331,2 млрд. м3; при этом в энергетике - с 138,9 до 132 млрд. м3 и в промышленности - с 134,1 до 129,5 млрд. м3. В коммунально-бытовом секторе оно увеличилось с 50,6 до 53,7 млрд. м3, причем доля потребления газа населением за этот же период увеличилось с 59,9 до 69,7%. Добыча газа в ОАО "Газпром" планируется в следующих объемах: 1999 год - 551,7 млрд. м3; 2000 год - 520,0 млрд. м3; 2001 год - 530,0 млрд. м3; 2002 год - 530 млрд. м3. При этом потребителям газа будет направлено в 1999 году 381, млрд. м3, в 2000 году - 378,5 млрд. м3, в 2001 году - 376,8 млрд. м3 и в 2002 году - 371,6 млрд. м3. Экспорт газа планируется следующим: 1999 год - 128,1 млрд. м3 2000 год - 130,0 млрд. м3 . 2001 год - 141,0 млрд. м3 и 2002 год -150,0 млрд. м . Из приведенных данных следует, что повышение эффективности использования газа при производстве электрической и тепловой энергии является исключительно актуальным.
В теплоэнергетике положение усугубляется тем, что сокращение объемов промышленного производства на 50 - 60% по сравнению 1991 годом не сопровождалось адекватным снижением объемов потребления электрической и тепловой энергии. Сложилась ситуация, когда в условиях наличия большого резерва электрической мощности в региональных энергосистемах, невозможно его использовать вследствие падения потребления технологического пара промышленными потребителями. В результате противодавленческие турбоагрегаты ТЭЦ фактически простаивают, а турбины типа ПТ являются незагруженными. Кроме того, в новых экономических условиях перехода к социально-ориентированным рыночным отношениям, высокого уровня инфляции, невозможности использования централизованных средств для восполнения отработавших свой ресурс и требующих замены генерирующих мощностей, ориентация на традиционное централизованное теплоэнергоснабжение от крупных источников становится проблематичной. Традиционные централизованные теплофикационные системы не обеспечивают расчетной экономии топлива и общей эффективности. Это связано, в основном, с двумя причинами. Эффект системной экономии топлива от централизации теплоснабжения практически сведен к нулю вследствие того, что КПД промышленных и отопительных котельных повышен до уровня КПД энергетических котлов. Вторая составляющая топливного эффекта от комбинированной выработки электрической и тепловой энергии на ТЭЦ также оказалась ниже расчетной вследствие тепловых потерь и потерь с утечками при транспорте горячей воды на большие расстояния. Эти потери достигают 20 - 25%. Кроме того, магистральные тепловые сети от ТЭЦ имеют низкую надежность, что приводит в ряде случаев к нарушению теплоснабжения и соответствующему ущербу как материальному, так и социальному.
Таким образом, строительство новых крупных ТЭЦ для покрытия дефицита тепловых мощностей неизбежно связано с омертвлением капитала и проблемой отыскания источников финансирования. Ориентация же на строительство крупных котельных с точки зрения обеспечения системной экономичности является неперспективной из-за увеличения потребностей в топливе и необходимости решения экологических проблем.
В этих условиях в стране наметилась тенденция на строительство децентрализованных комбинированных источников электро- и теплоснабжения, как правило, с использованием конверсионных газотурбинных установок. Создание таких энергоустановок имеет ряд преимуществ. Среди них основными являются короткие сроки строительства, повышение надежности теплоснабжения потребителей, использование потенциала конверсионных предприятий и другие. Однако, существует ряд недостатков, связанных с трудностью их размещения, возможным перерасходом топлива в системе и необходимостью решения экологических задач.
Учитывая определенные сложности с энергообеспечением производственной и социальной инфраструктуры предприятий, ОАО "Газпром" разработана и реализуется программа "Малая энергетика", одним из направлений которой является строительство малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности с комбинированной выработкой электроэнергии и теплоты для нужд отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.
Проектирование таких малых ТЭЦ требует проведения большого комплекса научных исследований, включающих определение их системной тепловой и топливной эффективности с учетом режимов теплопотребления и климатических факторов, решение вопросов обеспечения надежности теплоснабжения потребителей, вопросов размещения, экологического воздействия на окружающую среду и общей технико-экономической эффективности.
Целью настоящей работы является определение эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности в системах теплоэнергоснабжения.
Основными задачами, подлежащими решению, являются:
1. Обоснование показателей и разработка методов расчета тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ в системах теплоснабжения.
2. Разработка методов расчета и обеспечения надежности систем теплоснабжения, элементов и агрегатов малых ТЭЦ на базе ГТУ с учетом условий эксплуатации.
3. Разработка математической модели теплофикационных ГТУ и проведение расчетно-теоретических исследований характеристик газотурбинных ТЭЦ с учетом режимных и климатических факторов.
4. Выбор и оптимизация характеристик котла-утилизатора теплофикационных ГТУ с учетом климатических и режимных факторов.
5. Определение экономической эффективности создания малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ.
В диссертации разработаны теоретические положения расчета тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ в системах теплоэнергоснабжения. Проведено обоснование расчетных схем теплофикационных ГТУ малой и средней мощности, покрывающих все виды коммунально-бытовых нагрузок.
Проведено обоснование выбора показателей надежности малых ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения потребителей и разработана методика расчета показателей надежности элементов малых ТЭЦ и систем теплоэнергоснабжения с учетом условий эксплуатации. Даны рекомендации по обеспечению надежности теплоэнергоснабжения от малых ТЭЦ.
Разработана математическая модель расчета показателей тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ с учетом режимных и климатических факторов, позволяющая проводить оптимизационные исследования термодинамических и расходных параметров теплофикационных ГТУ, конструктивных характеристик оборудования и схемных решений.
Проведено обоснование выбора единичной мощности агрегатов малых ТЭЦ исходя из условия выполнения заданных показателей надежности теплоснабжения.
Определена экономическая эффективность малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в системах теплоснабжения, а также зона устойчивости решений и области эффективного использования малых ТЭЦ. Проведена экономическая оценка рисков при создании малых ТЭЦ.
Научная новизна. Разработаны теоретические положения расчета системной тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ. Предложена методика расчета и обеспечения показателей надежности элементов теплофикационных ГТУ и систем теплоэнергоснабжения на их основе. Разработана математическая модель малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в составе систем теплоснабжения с учетом реальных режимных и климатических факторов. Разработана методика определения экономической эффективности строительства и области эффективного использования малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ малой и средней мощности.
Практическая значимость. Проведено технико-экономическое обоснование и определены условия эффективного применения малых ТЭЦ на базе ГТУ в системах теплоэнергоснабжения. Определена системная тепловая и топливная эффективность малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ. Даны практические рекомендации по выбору оптимальной температуры наружного воздуха для проектирования котла-утилизатора теплофикационных ГТУ. Результаты расчетно-теоретических исследований малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности с учетом реальных условий их работы в системах теплоснабжения.
На защиту выносятся. Методические положения и результаты расчета тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ в системах теплоснабжения. Математические модели и результаты расчетно-теоретических исследований малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ с учетом реальных режимов работы и климатических факторов и обеспечения надежности теплоэнер-госнабжения. Методика и результаты расчета оптимальной температуры наружного воздуха для проектирования котла-утилизатора теплофикационных ГТУ. Методические положения и результаты расчетов экономической эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обоснована использованием методологии системных исследований в энергетике, применением фундаментальных законов технической термодинамики, теплопередачи и теории надежности систем энергетики. Математические модели малых ТЭЦ разработаны на основе апробированных методов при решении ряда аналогичных задач. Проведено сопоставление полученных результатов и выводов исследования с имеющимися данными на основе других теоретических подходов.
Личный вклад автора заключается в следующем:
1. Разработаны основные теоретические положения и методика расчета топливной и общей эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ в системах теплоснабжения.
2. В развитие теории надежности теплоэнергоснабжающих систем предложена методика расчета показателей надежности элементов теплофикационных ГТУ и систем теплоэнергоснабжения с учетом реальных условий эксплуатации.
3. Разработана математическая модель расчета показателей эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ с учетом реальных режимов работы и климатических факторов.
4. Определена экономическая эффективность малых ТЭЦ в системах те-плоэнергоснабжения.
Работа выполнена на кафедре "Теплоэнергетика" и в Проблемной научно-исследовательской лаборатории теплоэнергетических установок электростанций Саратовского государственного технического университета в рамках основного научного направления развития науки и техники Российской Федерации "Топливо и энергетика", федеральной программы фундаментальных исследований в области "Физико-технические проблемы энергетики", раздел "Фундаментальные проблемы энергосбережения и эффективного использования топлива", а также программой конкурса грантов в области энергетики и электротехники по разделу С-098 "Экономия топлива и тепловой энергии".
Изложенные в диссертации материалы опубликованы в /14, 44 - 47, 63, 92/ и докладывались на научных конференциях и семинарах Саратовского государственного технического университета в 1995-1999 гг. (г. Саратов), на Конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (26-28 сентября 1995 г., Москва, ГАНГ), на Конкурсе молодежных разработок по проблемам газовой отрасли - 3 место (21-23 октября 1998 г., Москва, ВНИИГАЗ), на Международной научной конференции "Надежность в промышленности, энергетике и на транспорте" (г. Самара, 8-10 октября 1999 года), на Межвузовской научной конференции "Проблемы повышения эффективности и надежности систем теплоэнергоснабжения" (г. Саратов, 1-3 ноября 1999 года).
Разработанные в диссертации методические положения и результаты исследования эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в системах теплоснабжения использованы при разработке "Стратегии развития энергетики Самарской области", "Губернаторской программы энергосбережения Саратовской области на 1998 - 2005 годы", внедрены при разработке технико-экономического обоснования "Строительство электростанции БГТЭС-9,5 МВт на территории Тольяттинской КС", а также могут быть использованы при проектировании новых систем теплоснабжения.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю кандидату технических наук, доценту Ларину Евгению Александровичу за внимательное руководство и помощь при выполнении работы, а также Заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Андрющенко Анатолию Ивановичу за постоянные консультации в процессе выполнения работы, коллективам кафедры "Теплоэнергетика" и Проблемной научно-технической лаборатории ТЭУ за советы и замечания, высказанные при подготовке и обсуждении диссертации.
Методические положения учета климатических факторов и режимов работы теплофикационных ГТУ.
Климатические факторы оказывают существенное влияние на показатели работы теплофикационных ГТУ, прежде всего на газотурбинную ее часть. Известно, что температура, влажность и давление атмосферного воздуха могут в широких пределах изменять мощность, степень повышения давления и КПД ГТУ /59, 86/. Если для паротурбинных установок окружающей средой является охлаждающая конденсатор вода, температура которой колеблется от +2...+4С зимой до +25...+30С летом, то для газотурбинных установок окружающей средой будет воздух атмосферы, колебания температуры которого весьма значительны как в течение года, так и в течение суток (рис. 1.3). При этом динамика изменения температуры охлаждающей воды гораздо ниже скорости изменения температуры окружающего воздуха.
При проектировании ГТУ расчетная температура воздуха, как правило, принимается равной +15С. В условиях эксплуатации ГТУ приходится работать в режимах со значительными колебаниями температуры окружающего воздуха, а также его давления. Режим работы простейших ГТУ сохраняется неизменным, если не меняются следующие четыре величины: подача топлива в камеру сгорания GTr, внешний тормозной момент М, приложенный к валу со стороны потребителя, температура Та и давление ра воздуха, забираемого воздушным компрессором. Указанные величины являются независимыми параметрами, однозначно определяющими режим работы ГТУ. В многовальной схеме (например, двухвальной) полезная мощность снимается только с одного вала. Режим работы таких ГТУ также определяется четырьмя независимыми параметрами: подачей топлива в камеру сгорания; частотой вращения (т.е. тормозным моментом, или мощностью) на силовом валу; температурой и давлением атмосферного воздуха.
Кроме изменения указанных четырех величин, никаких внешних воздействий на двигатель быть не может /59/. Увеличение подачи топлива означает повышение температуры в камере сгорания и рост мощности турбины. При неизменном тормозном моменте это приведет к некоторому возрастанию частоты вращения вала п до тех пор, пока вырабатываемая двигателем на новом режиме мощность не станет равной мощности, отбираемой потребителем (пропорциональной произведению Мп). Увеличение температуры или давления воздуха, засасываемого компрессором, ведет к относительному повышению мощности, потребляемой компрессором, и при неизменном тормозном моменте потребителя и неизменной подаче топлива повлечет снижение частоты вращения. Если со стороны потребителя произвольно меняется тормозной момент, то устанавливается новая, вполне определенная частота вращения, соответствующая новому моменту и неизменному расходу топлива. В качестве независимого параметра можно принять частоту вращения и тогда каждому значению п при неизменных прочих независимых параметрах соответствуют вполне определенные значения момента и эффективной мощности Ne= соМ (где ю - угловая скорость ротора). Таким образом, режим работы ГТУ полностью определен, если заданы четыре величины: подача топлива, температура и давление воздуха на входе в компрессор и мощность на валу. где G - расход рабочего тела в турбине; с„ и с„ - средние теплоемкости газов и воздуха; Тз и Ті - температуры рабочего тела в точках 3 и 1 термодинамического цикла ГТУ (перед турбиной и перед компрессором) (см. рис. 1.1 и 1.2); г)т и г)к - КПД проточных частей турбины и компрессора; % и 7tT - степень повышения давления в компрессоре и понижения давления в турбине.
Разработка математической модели теплофикационных ГТУв системах теплоэнергоснабжения
Тепловая экономичность малой ТЭЦ зависит от большого числа разнородных факторов. Их можно подразделить на несколько групп: - величина расчетных тепловых нагрузок, тип теплофикационной системы, температурный график теплосети; - климатические факторы; - режимные факторы; - конструктивные факторы.
Величина расчетной присоединенной тепловой нагрузки является основным исходным показателем при проектировании малой ТЭЦ, определяющим состав и единичную мощность основного оборудования. Важное значение при этом имеет и доля расчетной нагрузки горячего водоснабжения.
Известно, что для паротурбинных ТЭЦ электрическая мощность зависит от уровня тепловых нагрузок и температурного графика теплосети. Это определяется необходимостью повышения параметров отборного пара при росте температуры прямой сетевой воды. Для теплофикационных газотурбинных ТЭЦ отпуск теплоты потребителям осуществляется за счет использования теплоты уходящих газов ГТУ. Изменение тепловой нагрузки оказывает несущественное влияние на мощность ГТУ. Однако эта мощность сильно зависит от температуры наружного воздуха. При этом максимум потребной электрической мощности совпадает с максимумом температуры атмосферного воздуха. Определенное влияние на выбор состава основного оборудования и характеристик малой ТЭЦ оказывают также тип теплофикационной системы и температурный график теплосети.
Так как заданные тепловые нагрузки малой ТЭЦ могут быть покрыты при различном составе основного оборудования, его мощности, параметрах и конструктивных характеристиках, то задача выбора состава основного оборудования является многовариантной. Оптимальный тип и состав оборудования должен определяться технико-экономическими расчетами по среднегодовым показателям тепловой экономичности, с учетом стоимости оборудования, годовой выработки тепловой и электрической энергии, тарифов на электрическую и тепловую энергию на региональном рынке, форм и источников финансирования строительства малой ТЭЦ. Необходимым элементом решения этой сложной многофакторной оптимизационной задачи является определение годовых интегральных показателей использования топлива для каждого варианта состава основного оборудования малой ТЭЦ. Эти показатели, в свою очередь, тесно связаны с рядом конструктивных, климатических и режимных факторов, в частности, с продолжительностью работы малой ТЭЦ в течение года в режиме покрытия отопительной нагрузки и нагрузки горячего водоснабжения, длительностью отопительного периода, продолжительностью стояния температур наружного воздуха за этот период, соответствующей климатическим условиям района расположения станции. С другой стороны, значительный интерес представляет анализ характера изменения показателей малой ТЭЦ и ее элементов в зависимости от ряда внешних факторов, главным из которых является температура наружного воздуха.
Учитывая большое количество факторов, влияющих на тепловую экономичность малой ТЭЦ, для определения ее характеристик требуется применение методов математического моделирования с использованием основных закономерностей технической термодинамики, теплопередачи и теории турбомашин.
Математическая модель расчета показателей тепловой экономичности теплофикационной газотурбинной ТЭЦ основана на почасовом расчете величины присоединенной тепловой нагрузки (с соответствующей долей нагрузки горячего водоснабжения и отопительной нагрузки), температурного графика теплосети и соответствующей им температуры наружного воздуха с последующим определением характеристик газотурбинных установок и котлов утилизаторов, уровне электрической и тепловой мощности и соответствующего расхода топлива.
Интегральные годовые показатели выработки электрической и тепловой энергии, расходы топлива в камере сгорания ГТУ и в дожигающем устройстве котла-утилизатора при его наличии, а также в пиковые водогрейные котлы (ПВК) находятся суммированием результатов расчета почасовых показателей. На рис. 2.4, 2.5 и 2.6 приведены характерный температурный график теплосети газотурбинной ТЭЦ, график тепловых нагрузок по продолжительности и график тепловых нагрузок для климатических условий города Саратова при коэффициенте теплофикации по рекомендации /89/ принятом равным ос=0,6. Эти данные использовались при определении годовых расходов топлива в конкретных технико-экономических расчетах.
Из температурного графика (рис. 2.4) видно, что от ТЭЦ осуществляется горячее водоснабжение, причем в летний период (при температурах наружного воздуха больше +8 С) оказывается задействованной только одна из двух магистралей тепловой сети, что увеличивает срок службы тепловых сетей, позволяет проводить профилактические и ремонтные работы, не прекращая снабжение потребителя горячей водой.
Открытая система горячего водоснабжения потребителя приводит к постоянному изменению расходов и температур сетевой воды в обратной магистрали, поэтому график тепловых нагрузок в зависимости от температуры наружного воздуха (рис. 2.6) справедлив только для среднесуточных температур и среднего расхода горячей воды. Кроме того, реальная тепловая нагрузка ТЭЦ зависит от температуры подпиточной воды, которая в зависимости от времени года колеблется от +4 С до +20 С. График изменения температуры подпиточной воды от времени года представлен синусоидальной кривой (рис. 2.7) и с погрешностью не более 1% может быть аппроксимирован функцией вида где to - постоянный коэффициент (для климатических условий г. Саратова to=12 С); Р,а,у - постоянные коэффициенты, значения которых зависят от климатических факторов (для г. Саратова: Р=8, а=7-10"4, у=3,6132 рад); т - порядковый номер часа в году.
При разработке математической модели теплофикационной ГТУ зависимости температуры прямой и обратной сетевой воды определялись по /112/. Для температурного графика 110/70 С получено
Методика расчета показателей надежности элементов малых ТЭЦ с учетом условий эксплуатации
Согласно эксплуатационным данным /72/ наибольшее количество отказов происходит из-за отказов газовой турбины. Надежность ее работы определяется термонапряженным состоянием рабочих и сопловых лопаток, температурный режим которых зависит от параметров рабочего тела, способа охлаждения лопаток, конструктивных особенностей, конструкционных материалов, режимов эксплуатации и ряда других факторов. В отдельных элементах ГТ возникают пульсации действующих напряжений, вызванные особенностями конструкции проточной части, нестационарностью расходов, давлений и температур.
Одним из самых опасных, с точки зрения разрушения, являются рабочие лопатки первой ступени, работающих в условиях высоких температур /72/. Причиной пульсаций действующих напряжений является изменение локальных расходов через сопла из-за особенностей подвода рабочего тела к сопловому аппарату. Так как пульсации температур и напряжений носят случайный характер, а служебные характеристики материалов имеют статистическую природу, то расчет показателей надежности должен базироваться на использовании вероятностных методов.
В основу расчета одного из важнейших единичных показателей надежности ГТ, ее безотказности, положено следующее: действующие напряжения являются случайными величинами, разброс которых относительно математического ожидания определяется глобальными факторами. Глобальные неопределенности характерны для всех элементов газовой турбины и определяются колебаниями давлений и расходов, забросом температур и т.д. Локальные неопределенности определяются местными условиями и связаны с изменением профилей лопаток из-за технологических факторов, эрозии, коррозии и т.д. Все локальные неопределенности статистически независимы, поэтому для получения общего закона распределения случайной величины напряжений могут быть использованы свертки отдельных функций; служебные характеристики применяемых материалов (предел выносливости и предел длительной прочности) являются случайными величинами, распределенными по нормальному или логарифмически нормальному законам /35/; оценка безотказности проводится из условия непревышения действующих напряжений над допустимыми на каждом расчетном участке по высоте рабочих лопаток и сопловых лопаток турбины. Для определения этого условия используются свертки дифференциальных функций распределения действующих напряжений и их предельных значений.
Под безотказностью следует понимать вероятность непревышения величины случайной величины нагружения X(t) = {Xi,...,X;,...,X ,t) прочности Y(t) = {Yb... ,Yj,...,Y ,t, т.е. попадания случайной функции работоспособности (ФР) Z(t)=X(t)-Y(t) в область отрицательных значений. Значение аргументов функций X(t) и Y(t) в общем случае определяется ее номинальными значениями X/ и Y,- , а также постоянными АХ/ и AY/ и переменными во времени 5Хг- и 8Y,- отклонениями. Если ступень содержит m лопаток, имеющих одинаковую надежность, безотказность каждой из них характеризуется п (п = 1,п) функциями распределения (ФР), то условие безопасности запишется в виде
Таким образом, функция работоспособности Znm(t) является случайной функцией, колеблющейся около некоторого случайного стационарного уровня Znm (t) положение которого определяется постоянными по времени отклонениями ЛХІ и AYi от математического ожидания Znm(t), рассчитываемого по номинальным значениям X/ и Y/ . Дисперсия az определяется по формуле
Анализ устойчивости решений и областей эффективного использования малых ТЭЦ
Экономическая эффективность малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ определяется рядом факторов, главными из которых являются размер инвестиций в создание децентрализованных источников теплоснабжения, условия финансирования строительства малых ТЭЦ, вид и стоимость используемого топлива, количество обслуживающего персонала, затраты на операционную деятельность малых ТЭЦ, влияние малых ТЭЦ на состояние окружающей среды, методы и средства обеспечения надежности теплоснабжения потребителей, режимы работы малых ТЭЦ, климатические условия и т.д.
В основу определения экономической эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ положена методология проектного анализа, основные положения которой и критерии оценки эффективности получаемых решений изложены в главе 1 настоящей работы.
В качестве малых ТЭЦ рассмотрен источник теплоснабжения на основе теплофикационных ГТУ с конверсионными авиадвигателями типа НК-14Э Самарского АО «Моторостроитель». Основные его технические характеристики приведены в таблице 0.1. Малая ТЭЦ включает два газотурбинных агрегата типа НК-14Э, оснащенных котлами-утилизаторами с дожигательными устройствами, общей электрической мощностью 19 МВт и присоединенной тепловой нагрузкой 40,4 МВт. Малая ТЭЦ покрывает все виды коммунально-бытовой нагрузки района. Выдача электрической мощности осуществляется с шин станции напряжением 10,5 кВ с последующим повышением напряжения до 35 кВ. Расчетная тепловая нагрузка 40,4 МВт покрывается за счет утилизации теплоты выхлопных газов ГТУ, пиковая нагрузка покрывается за счет дожигания топлива в газовой среде котла - утилизатора. В связи с тем, что длительность отопительного сезона для условий г. Саратова составляет 4650 часов, а доля нагрузки горячего водоснабжения достигает 40 % общей тепловой нагрузки, то степень утилизации теплоты уходящих газов достаточно высока. Приняты следующие характеристики энергоагрегата НК - 14Э при проектной температуре наружного воздуха +15 С: - электрическая мощность - 9,5 МВт; - расход продуктов сгорания после ГТУ - 32,1 кг/с; - температура выхлопных газов - 477 С; - тепловая мощность котла-утилизатора при температуре уходящих газов 120 С - 14,7 МВт.
При снижении температуры наружного воздуха до проектной для проектирования систем теплоснабжения ( - 27С ), тепловая мощность котла - утилизатора падает до 12,7 МВт.
Таким образом, при расчетной температуре наружного воздуха для отопления - 27 С тепловая мощность котлов - утилизаторов составит 25,4 МВт. Дефицит тепловой мощности покрывается дополнительным сжиганием топлива в дожигательных устройствах. В расчетах учитывается то требование, что, согласно нормам технологического проектирования ТЭЦ, в случае остановки одного из агрегатов мини - ТЭЦ, оставшиеся в работе агрегаты обеспечивают отпуск теплоты потребителям на уровне, соответствующем тепловой мощности при средней температуре наиболее холодного месяца, что составляет 31 МВт. Суммарная тепловая нагрузка 2-х агрегатов с учетом сжигания дополнительного топлива в камерах дожигания котлов-утилизаторов составит 20 МВт. Поэтому на ТЭЦ необходима установка дополнительного пикового (резервного) котла мощностью 11 МВт.
Структура и величина капитальных вложений в малую ТЭЦ представлены в главе 1 настоящей работы (табл. 1.6).
Для определения экономической и финансовой эффективности малой ТЭЦ на базе агрегатов НК - 14Э была использована лицензионная профессиональная система коммерческой оценки инвестиционных проектов "Альт -Инвест" (версия 2.0). Этот программный продукт позволяет определить все необходимые для принятия решения экономические и финансовые критерии, приведенные в разделе 1.1 настоящей работы. В таблице 4.1 приведены исходные данные и результаты расчетов показателей эффективности инвестиционного проекта создания и функционирования малой ТЭЦ на базе 2-х агрегатов типа НК-14Э.
Суммарные капиталовложения в малую ТЭЦ составляют 372,2 млн. рублей. Срок строительства одного блока составляет 0,5 года. Расчетный срок жизни проекта 10 лет. Из табл. 4.1 видно, что простой срок окупаемости инвестиций составляет 4,5 лет, а дисконтированный срок окупаемости малой ТЭЦ составляет 6,4 года при значении внутренней нормы доходности 9%.
